Co Polska zbudowała dla lądownika InSight NASA i dlaczego „kret” się zatrzymał?

Lądownik, który miał zajrzeć do wnętrza Marsa

InSight (od ang. Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) wystartował 5 maja 2018 roku i 26 listopada 2018 roku wylądował na płaskiej równinie około 4,5 stopnia na północ od marsjańskiego równika. DLR nazywa go pierwszym czysto geofizycznym obserwatorium na innym ciele niebieskim. Nigdzie nie jeździł: miał nasłuchiwać trzęsień marsa francuskim sejsmometrem, sprawdzić eksperymentem radiowym, czy jej jądro jest płynne, czy stałe, i zmierzyć, ile ciepła wypływa z jej wnętrza.

Misją kierowało JPL, sondę zbudowała firma Lockheed Martin Space, a instrumenty pochodziły z kilku krajów Europy. Wśród partnerów NASA wymienia dwóch z Polski: Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk i firmę Astronika.

Gwóźdź, który sam wbija się w ziemię

HP3 (ang. Heat Flow and Physical Properties Package) zaprojektował i zintegrował DLR. Jego najważniejszą częścią była sonda długości około 40 centymetrów, połączona z lądownikiem przewodem pełnym czujników temperatury. Miała sama wbić się nawet 5 metrów pod powierzchnię, ciągnąc przewód za sobą. Czujniki musiały znaleźć się co najmniej 3 metry pod ziemią, żeby zmierzyć strumień ciepła z dala od dobowych i sezonowych wahań temperatury przy powierzchni.

Według Polskiej Akademii Nauk sonda miała 25 milimetrów średnicy, ważyła około 500 gramów i była wykonana ze stopów tytanu, stali i wolframu. W jej wnętrzu mechanizm młotkujący z wewnętrznymi układami sprężyn i mas raz za razem uderzał w ostrze. Ten mechanizm – napęd, który Astronika nazwała „mechanicznym sercem” kreta – zaprojektowała i zintegrowała Astronika, która koordynowała też budowę kreta. Firma opisuje go jako kompletny mechanizm młotkujący wykonany w całości w Polsce, przy udziale Centrum Badań Kosmicznych PAN, Instytutu Lotnictwa, Instytutu Spawalnictwa, Politechniki Łódzkiej i Politechniki Warszawskiej.

Jerzy Grygorczuk z Astroniki został współbadaczem (ang. co-investigator) w zespole naukowym InSight – według firmy jako pierwszy przedstawiciel polskiej firmy w takiej roli w misji NASA. Wcześniej zaprojektował mechanizm penetratora MUPUS europejskiej misji Rosetta, który w 2014 roku wylądował na komecie.

Dlaczego się zatrzymał

Kret zaczął młotkować 28 lutego 2019 roku i wkrótce utknął na głębokości około 30 centymetrów. Samowbijająca się sonda zależy od gruntu wokół niej: luźny grunt opływający jej korpus wytwarza tarcie, które trzyma ją w miejscu wbrew odrzutowi każdego uderzenia. Bez wystarczającego tarcia sonda po prostu podskakuje w miejscu. W czerwcu 2019 roku zespół uznał, że najbardziej prawdopodobną przyczyną jest nieoczekiwany brak tarcia w gruncie w miejscu lądowania, innym niż grunt widziany gdzie indziej na Marsie.

Przez prawie dwa lata inżynierowie JPL i DLR improwizowali. Używali ramienia robotycznego InSight w sposób, do którego nie zostało zaprojektowane: unieśli konstrukcję podtrzymującą kreta, dociskali sondę, a na koniec zgarniali na nią grunt i go ubijali. 9 stycznia 2021 roku, w 754. solu misji, kret wykonał kolejnych 500 uderzeń bez postępu i zespół zakończył próby. Jego wierzchołek znajdował się wtedy około 2–3 centymetrów pod powierzchnią. Grunt zbijał się w grudy zamiast opływać sondę – zupełnie inaczej, niż konstruktorzy mogli się spodziewać po wcześniejszych misjach. „Daliśmy z siebie wszystko, ale Mars i nasz bohaterski kret pozostają niekompatybilni” – powiedział Tilman Spohn z DLR, kierownik naukowy instrumentu.

Czy polski mechanizm zawiódł?

Nie. Mechanizm młotkujący działał przez cały czas; brakowało oparcia w gruncie. NASA przypisuje problem nieoczekiwanym właściwościom gruntu w miejscu lądowania, a w komunikacie o zakończeniu prób wymienia Centrum Badań Kosmicznych i Astronikę wśród współtwórców HP3, nie sugerując usterki napędu.

Wysiłek nie poszedł na marne. NASA zwraca uwagę, że inżynierowie zdobyli doświadczenie w obsłudze ramienia robotycznego na Marsie, że właściwości gruntu będą badane latami i że skorzystają na tym przyszłe misje, które będą musiały kopać – dla nauki albo kiedyś dla astronautów szukających lodu wodnego. Uwolnione od kreta ramię posłużyło potem do zasypania przewodu łączącego lądownik z sejsmometrem, żeby ograniczyć zakłócenia danych sejsmicznych wywołane zmianami temperatury.

Co InSight i tak odkrył

Sejsmometr dostarczony przez francuską agencję kosmiczną CNES zarejestrował 1319 trzęsień marsa, w tym wywołane uderzeniami meteoroidów. Na podstawie analizy około 35 z nich naukowcy opisali 22 lipca 2021 roku w trzech artykułach w Science, że skorupa Marsa jest cieńsza, niż sądzono – ma około 20 albo 37 kilometrów grubości, zależnie od modelu – że płaszcz sięga około 1560 kilometrów w głąb i że jądro ma promień około 1830 kilometrów i jest płynne.

Pył stopniowo pokrywał panele słoneczne lądownika. InSight połączył się z Ziemią ostatni raz 15 grudnia 2022 roku, a 21 grudnia 2022 roku NASA ogłosiła koniec misji.

Co to znaczy dla Polski

InSight pokazał, że polskie zespoły potrafią dostarczyć kluczowy mechanizm do planetarnej misji NASA, a polski inżynier może zasiadać w zespole naukowym, który ją prowadzi. Dane, jak w innych misjach NASA, są publiczne. Ta historia przypomina też, że Mars wymaga pokory: większą niewiadomą okazał się grunt planety niż maszyna. Jak powstają misje takie jak InSight, wyjaśniamy na stronie Od propozycji do startu, inne lądowniki i łaziki opisujemy na stronie Mars, łazik po łaziku, a laboratorium, które prowadziło InSight, w artykule Czy JPL należy do NASA?